基于射線跟蹤算法數(shù)字地圖自動(dòng)提取與預(yù)處理

馮永勝，郭立新，劉忠玉

(西安電子科技大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710071)

隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展、個(gè)人通信需求的迅猛增長(zhǎng)，通信技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣，微蜂窩技術(shù)由于采用頻譜復(fù)用技術(shù)而得到廣泛應(yīng)用。在這種環(huán)境下，基站天線的高度一般低于周圍建筑物的高度［1］。另一方面，隨著無(wú)線通信形式和容量的增加，發(fā)射源也越來(lái)越多，使得城市電磁污染進(jìn)一步加重，對(duì)人體及通信環(huán)境都有不利影響。因此有必要對(duì)微小區(qū)中某輻射源的電波傳播特性進(jìn)行確定性分析，對(duì)于在微小區(qū)情形下的電波傳播預(yù)測(cè)模型的研究也尤為重要。射線跟蹤方法因具有預(yù)測(cè)精度較高、計(jì)算工作量較小、易于程序化等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛應(yīng)用［2－4］。然而，為滿足不同傳播環(huán)境下信號(hào)預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)性，射線跟蹤算法的效率仍有待于提高。尤其是在建筑物密集的城市微小區(qū)環(huán)境下，射線跟蹤加速算法是一項(xiàng)共同研究的課題。在所有的射線跟蹤技術(shù)中，遮擋判斷必須被反復(fù)執(zhí)行。當(dāng)城市微小區(qū)環(huán)境包含大量的建筑物時(shí)，射線跟蹤算法程序需要大量的計(jì)算時(shí)間。

數(shù)字地圖是整個(gè)射線跟蹤算法的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確高效的數(shù)字地圖是射線跟蹤算法結(jié)果是否理想的重要保障。在已有地圖的基礎(chǔ)上，如何對(duì)地圖進(jìn)行二次開發(fā)，結(jié)合射線跟蹤算法的需求，設(shè)計(jì)出合理高效的環(huán)境地物信息數(shù)據(jù)庫(kù)即地圖的存儲(chǔ)格式，是提高算法效率的關(guān)鍵技術(shù)。

文中用C++結(jié)合針對(duì)AutoCAD平臺(tái)上的二次開發(fā)而推出的一個(gè)開發(fā)軟件包ObjectARX，開發(fā)了一段高效的可批量提取AutoCAD畫出格式的數(shù)字地圖點(diǎn)坐標(biāo)的程序，可批量一次性地提取建筑物的點(diǎn)坐標(biāo)，使其轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字地圖格式，把點(diǎn)坐標(biāo)寫入數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫(kù)文件，攻克了如何能快速的獲取地圖中符合射線跟蹤算法所需要的地圖坐標(biāo)格式的難題。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化提取技術(shù)，從而能夠建立實(shí)用的、快速的、高精度的室外微蜂窩環(huán)境電波預(yù)測(cè)模型。

1 地圖自動(dòng)提取及預(yù)處理

1.1 應(yīng)用軟件說(shuō)明

文中采用的開發(fā)環(huán)境是電子地圖軟件AutoCAD2008，開發(fā)軟件ObjectARX2008，Visual Stdio2005作為開發(fā)工具。ObjectARX是AutoDesk公司針對(duì)AutoCAD平臺(tái)上的二次開發(fā)而推出的一個(gè)開發(fā)軟件包，它提供了以C++為基礎(chǔ)的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境及應(yīng)用程序接口，能真正快速的訪問AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫(kù)。與以往的AutoCAD二次開發(fā)工具 AutoLISP和 ADS不同，ObjectARX應(yīng)用程序是一個(gè)DLL，共享AutoCAD的地址空間，對(duì) AutoCAD進(jìn)行直接函數(shù)調(diào)用。所以，使用ARX編程的函數(shù)的執(zhí)行速度得以提高。AutoCAD在批量提取點(diǎn)位坐標(biāo)時(shí)沒有相應(yīng)功能，需要二次開發(fā)才能滿足需要。AutoCAD的開發(fā)手段多種，如C++、ObjectARX、Java、VisualBasic、AutoLisp 等，采用C++ 結(jié)合針對(duì)AutoCAD平臺(tái)上的二次開發(fā)而推出的一個(gè)開發(fā)軟件包ObjectARX，開發(fā)了一段可一次性批量提取點(diǎn)坐標(biāo)的技術(shù)，且把點(diǎn)坐標(biāo)寫入文本文件。

1.2 提取數(shù)字地圖

AutoCAD文件的圖元對(duì)象屬性有多種形式，文中采用的電子地圖有多線段、線段和圓弧3種，需要根據(jù)射線跟蹤模型和圖元的不同情況，通過(guò)AutoCAD的二次開發(fā)功能ObjectARX編程提取所有的圖元信息分別轉(zhuǎn)化為邊的形式，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

在AutoCAD定義的圖元中，線段(Line)與邊的模型完全符合。搜索當(dāng)前地圖內(nèi)所有的“Line”對(duì)象，將其兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)象屬性提取出來(lái)，載入數(shù)據(jù)庫(kù)中文件即可。

為符合射線跟蹤算法地形數(shù)據(jù)庫(kù)模型需要，程序需要對(duì)數(shù)字地圖中的3種特殊圖形進(jìn)行處理，即:多線段處理、圓弧處理和子塊劃分的處理。以多線段為例，循環(huán)搜索電子地圖圖元信息，載入數(shù)據(jù)庫(kù)表格。

多線段(Polyline)由一些線段首尾連接而成，分成閉合和不閉合兩種。

AutoCAD定義的多線段屬性中沒有圖元的線段數(shù)，即程序無(wú)法知道Polyline由多少條Line組成。本文處理Polyline時(shí)預(yù)定義了90次的循環(huán)依次搜索多線段的各頂點(diǎn)，當(dāng)遍歷到最后一個(gè)頂點(diǎn)即跳出循環(huán)。在循環(huán)的過(guò)程中，提取當(dāng)前線段的頂點(diǎn)坐標(biāo)，載入數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)循環(huán)至最后一個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，對(duì)多線段的閉合屬性作判斷，如果該多線段是閉合的，則將終點(diǎn)和起點(diǎn)作為一條線段的信息載入數(shù)據(jù)庫(kù)，如果多線段為非閉合的，則忽略起點(diǎn)和終點(diǎn)的連線。

分解方法如圖2所示，圖1中建筑物由封閉多邊形ABCDEFA構(gòu)成，在AutoCAD地圖信息中構(gòu)成一個(gè)完整的圖元。當(dāng)程序搜索到這個(gè)多邊形后將其分解，如圖2所示變成6條線段，分別以邊的形式存入數(shù)據(jù)庫(kù)。獲取步驟為:(1)打開Autocad地圖。(2)在命令行鍵入appload命令。(3)在彈出的對(duì)話框中裝載之前已經(jīng)寫好的arx應(yīng)用程序。(4)運(yùn)行ObjectARX程序，鍵入命令Gp。(5)結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)束。

Autocad中dwg格式的二維數(shù)字地圖的提取結(jié)果如，圖3為原AutoCAD中富蘭克林部分街道的微小區(qū)地圖;圖4是根據(jù)數(shù)字地圖提取出來(lái)的線段的坐標(biāo);圖5是經(jīng)過(guò)信息提取后用Matlab畫出的圖形100%吻合原來(lái)的數(shù)字地圖。

圖5 用Matlab畫出的圖形

1.3 數(shù)字地圖預(yù)處理

作為一種特定地形的電波預(yù)測(cè)模型，射線跟蹤算法需要準(zhǔn)確的地形環(huán)境信息，地形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將會(huì)影響預(yù)測(cè)結(jié)果的精度。城市微小區(qū)的環(huán)境幾何描述相當(dāng)復(fù)雜，包含大量的不同物體，如建筑物、路燈桿、電話亭等，另外還有一些移動(dòng)的物體，如汽車和人群等。它們都會(huì)對(duì)無(wú)線傳播產(chǎn)生影響，在這樣的環(huán)境中，若不作一定的簡(jiǎn)化，即使利用了近似的電磁技術(shù)，也無(wú)法得到確定性解。另一方面，小物體的幾何信息通常不可能包括在內(nèi)，因此不可能得到足夠的和移動(dòng)障礙物有關(guān)的信息。

1.3.1 前期

在數(shù)字地圖的自動(dòng)提取過(guò)程中就可以先把嵌套在建筑物里面的建筑物剔除，如圖6存放的是建筑物投影到地面上輪廓的描述，該投影形成的輪廓為多邊形。有不少多邊形套在其他多邊形的內(nèi)部，其實(shí)兩個(gè)多邊形本來(lái)就是一個(gè)建筑物，只是由于一部分高，另一部分低所以把它分成了兩個(gè)多邊形處理。其實(shí)內(nèi)部的多邊形在準(zhǔn)三維射線跟蹤中是用不到的。假如在讀取的時(shí)候就將這些建筑物去掉，會(huì)減少一部分存儲(chǔ)量，同時(shí)也會(huì)降低搜索時(shí)間。

圖6 兩個(gè)互相嵌套的多邊形關(guān)系

1.3.2 后期

相鄰建筑物間的合并。室外微小區(qū)傳播場(chǎng)景下，建筑物的分布密集。對(duì)于這種密集建筑物群，可以視為一個(gè)大的建筑物，從而減少了射線跟蹤算法在遮擋判斷時(shí)要處理的墻面數(shù)和墻角數(shù)。這種合理的做法，其準(zhǔn)確性在文獻(xiàn)［5～6］中得到了證明。文中的建筑物合并技術(shù)比文獻(xiàn)［6］中的更全面，可用于任何復(fù)雜情況。

圖7 可以合并的相鄰建筑物平面圖

2 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證預(yù)處理技術(shù)的效果，對(duì)曼哈頓市微小區(qū)數(shù)字地圖中的部分區(qū)域進(jìn)行處理。圖8為沒有進(jìn)行預(yù)處理的微小區(qū)地圖，圖中含有315個(gè)建筑物，共2956的垂直地面的墻角。該城市地圖中建筑物的高度相對(duì)較高，適合2.5D射線跟蹤算法，是一個(gè)典型的室外微小區(qū)場(chǎng)景。

圖8 預(yù)處理前城市微小區(qū)地圖

利用上文提到的預(yù)處理技術(shù)對(duì)數(shù)字地圖進(jìn)行自動(dòng)處理，處理結(jié)果表明，建筑物套嵌測(cè)試所刪除的建筑物共有21個(gè)，這21個(gè)建筑物包含的總建筑物面數(shù)或墻角數(shù)為122個(gè)，這些幾何信息的刪除對(duì)準(zhǔn)三維射線跟蹤算法的預(yù)測(cè)精度并無(wú)影響;對(duì)建筑物進(jìn)行剔除處理操作舍棄了73個(gè)墻角，套嵌和墻角剔除處理所刪除的面占所有面的6.6%，依據(jù)文獻(xiàn)［7］可知，建筑物幾何信息對(duì)射線跟蹤預(yù)測(cè)結(jié)果影響較大的是建筑物的空間方位，而不是墻角的微小偏移。

表1 不同合并間距下的預(yù)處理對(duì)比

表1給出了不同合并間距下的預(yù)處理結(jié)果的對(duì)比，可以看出隨著合并間距的增大，其合并掉的面在增加。當(dāng)合并間距為1 m時(shí)，建筑物的套嵌、輪廓的修正和建筑物合并的3種操作，使環(huán)境中的面數(shù)減少了近14%，其對(duì)應(yīng)的處理效果如圖9所示。因此，隨著射線跟蹤算法考慮的反、繞射階數(shù)越來(lái)越大，其預(yù)處理效果越明顯。

圖9 預(yù)處理后城市微小區(qū)地圖

3 結(jié)束語(yǔ)

以C++結(jié)合，針對(duì)AutoCAD平臺(tái)上的二次開發(fā)而推出的一個(gè)開發(fā)軟件包ObjectARX，開發(fā)了一段高效的可批量提取AutoCAD畫出格式的數(shù)字地圖點(diǎn)坐標(biāo)的程序，自動(dòng)提取建筑物的頂點(diǎn)坐標(biāo)，使其轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字地圖格式。相比較以往射線跟蹤利用手動(dòng)提取點(diǎn)坐標(biāo)方面效率大大提高。后文的預(yù)處理技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字地圖的預(yù)處理，改進(jìn)了射線跟蹤算法的運(yùn)行效率，并提高了射線跟蹤算法的通用性。

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